超视距雷达侦察装备试验条件分析

刘丽明，姚　啸，樊　鸿

(解放军91336部队，秦皇岛 066326)

超视距雷达侦察装备试验条件分析

刘丽明，姚啸，樊鸿

(解放军91336部队，秦皇岛 066326)

摘要：利用大气对电磁波的反射和折射作用能够使雷达侦察装备接收到微弱的电磁信号，并从中分析出有用信息，实现对威胁目标的超视距侦察。根据实现超视距侦察的机理，分析影响利用对流层散射和大气波导开展超视距侦察的主要因素，探讨在外场开展超视距雷达侦察的试验条件。

关键词：超视距；雷达侦察；试验条件

0引言

自从进入21世纪以来，随着相关技术的飞速发展，雷达的探测距离已经超出视距，出现了超视距雷达，这也导致了作战战术的更新换代，超视距攻击将成为战争主流。但在与之对抗的雷达侦察手段方面，传统的雷达侦察设备因为地球曲率的限制，对海面和陆地雷达目标的侦察距离却被限制在视距之内，一般不超过60 km，因此“先敌发现”的作战使命无法完成。

在此基础上,运用超视距侦察技术发现雷达目标的新手段也应运而生，出现了新型雷达侦察装备，例如捷克的SDD电磁信号监视系统和乌克兰的“铠甲”系统，越来越多的国家开始使用超视距雷达侦察设备用于电子情报侦察[1]。

在国内,随着技术发展和作战使命的拓展延伸，超视距侦察也已成为雷达对抗领域的重点方向，如根据电磁波对流层散射原理，超视距接收对流层散射的雷达信号，经处理分析后识别雷达特征从而完成侦收任务。这种技术体制的革新和作战能力的飞跃，也对装备的鉴定试验提出了新的要求。

1超视距侦察机理分析

目前超视距雷达信号侦察利用了大气环境中电磁波传播的2种方式：大气波导和对流层散射。

1.1　大气波导

由于电磁波在大气环境传输路径中受环境影响，出现了4种不同折射情况的折射现象：(1)正常折射；(2)陷获折射；(3)超折射；(4)欠折射[2]。当陷获折射发生时，电磁波指向地球表面的曲率将大于地表曲率，导致电磁波的传播路径局限于一定深度的大气层内，从而在这个大气层环境内重复反射向前传输，该现象被称为大气波导传播，大气波导传输路径所在的大气层被称为大气波导。研究表明大气波导有2种，分别是悬空波导和接地波导，悬空波导是离海平面有一定高度距离的大气波导，接地波导是紧接海平面的大气波导，其传播过程如图1所示。

图1　大气波导传播示意图

1.2　对流层散射

对流层是指距地高度8~18 km范围的低层大气区域。由于对流层中气压、温度、湿度等因素不断变化的影响，会产生大气湍流运动,因而出现大小不同的旋涡。而这些旋涡也不是固定不变的，对应的尺寸、形状和密度不断地变化，与之相关的折射指数和介电常数也随之改变。这些因素值在均值附近随机起伏，产生许多不均匀体。而雷达电磁波传播过程中照射到这类不均匀体上时，会导致感应电流产生，这种环境下的不均匀体类似于基本偶极子，成为电磁波传播的二次辐射体，对特定空间区域提供了散射场强分量，从而将电磁波散射到电磁波发射端视距之外的地方，这就是对流层中的超视距传播过程，如图2所示。

图2　对流层散射传播示意图

目前关于对流层散射的传播机制还无确切定论，一般使用各类理论模型解释这种传播现象：(1)稳定层相干反射(反射理论)；(2)不规则层非相干反射(多模理论)；(3)湍流非相干散射(散射理论)等[3]。比较来说，第3种模型比较完善，有严格的湍流理论基础并配套相吻合的较充足的实验数据；而第2种理论模型虽然缺乏严格的理论基础，但相吻合的实验数据较多；第1种理论模型虽然与大部分的实验数据结果的吻合度有所欠缺，但在某些特定情况下仍有部分实验数据与之匹配。

2影响因素分析

2.1　对流层散射侦察的影响因素

在对流层散射过程中，电磁波散射场是接收天线和发送天线的天线波束相交区域内的包括不规则突变层、相干反射层和湍流层等二次辐射场的总和，即随机性的多径传输现象，因此接收点的场强是随机变量。

从频率角度分析，当电磁波频率不超过0.5 GHz时，对流层散射的原因主要是稳定层相干反射和不规则层相干反射，而且频率越低稳定层相干反射的作用越大；在0.5~1.5 GHz频段， 超视距传播原因主要是不规则层非相干反射和湍流非相干散射；当频率超过1.5 GHz时,主要是由湍流非相干散射引起的。

从距离角度看，传播距离超过300 km时主要是由湍流非相干散射和不规则层非相干反射引起，甚至传播超过600 km。

对流层散射需要考虑的重点问题是能量传输损耗[4]。由于地面条件和地域环境等因素对对流层的影响，不同时间的不同区域散射能量损耗差别较大。即使是相同地点，不同时间的温度、湿度等气象条件不同，散射体也随之变化，能量损耗也各有不同。总之能量传输损耗是气象、散射体高度、散射角、工作频点、传输距离等众多变量的函数。广义的传输损耗通常有基本传输损耗、天线介质耦合损耗和天线波束偏移损耗等，其中基本损耗主要有散射损耗、地面反射损耗、空间传输损耗、大气吸收损耗等。综上可得传输损耗的计算公式:

Lm=Lbf+Ls+LR+LA+Lc=-17.47+

10lgd+301gf+0.65H0+30lgθ0+20lg(0.15H0+1.5)-0.2(Ns-328)+LR+LA+LS+Lc

(1)

式中：Lbf为自由空间传输损耗(dB)；Ls为散射损耗(dB)；LR为地面反射损耗(dB)；LA为大气吸收损耗(dB)；La为天线波束偏移损耗(dB)；Lc为天线介质耦合损耗(dB)；d为收发间大圆距离(km)；f为工作频率(MHz)；θ0为最小散射角，即收发点视平线的交角(10-3rad)；H0为最低散射点到收发连线间的垂直距离，即垂直高度(km)；Ns为最低散射点下方的地面折射指数的年平均值(N)。

上述部分变量的含义，如图3所示。

图3　大气散射信道几何关系图

对式(1)中的各种损耗因素有如下情况：(1)在天线高度较小时，由于地面反射的影响会有地面反射损耗，但当天线高度足够大时，则没有地面反射损耗；(2)大气吸收损耗主要是指大气吸收电磁波的作用，其值较小，在对流层散射的电磁波频率范围内，其值一般不超过10dB；(3)天线偏移损耗主要是由于接发天线波束主轴没有对准最佳指向或是接收点电磁波的射线方向未对准接收天线主轴方向而引起的损耗；(4)天线介质耦合损耗是指超视距传播过程中天线增益变小的现象，导致实际的天线增益低于平面波增益或者理论增益。

在实际传输过程中，还存在以下现象：(1)雷达工作频率越低，传输损耗越小，反之传输损耗越大；(2)雷达波入射角越小则传输损耗越小，研究结果表明波束入射角增大1°，损耗增大10dB左右，相应地对侦察机的灵敏度要求增加10dB。统计数据表明，目前一般仅限于侦察入射仰角不超过5°的雷达波；(3)微波信号的传输还与地理环境相关，具体的传输损耗数据需要根据实验结果具体分析；(4)电磁波在大气传播过程中存在慢衰落、快衰落等现象，其中快衰落是由多径干涉引起，慢衰落由大气吸收电磁波引起，因此都具有随机性，2种衰落的幅度都可达10dB以上。在大气衰落的影响下，即使接收机灵敏度比要求的灵敏度低一定范围，也有一定的可能性截获到电磁波信号；(5)气象环境对传输损耗影响较大，实际统计发现损耗值起伏较大，甚至可达20dB，在夏季时传输损耗较小，理论统计值为年统计平均中值。

2.2　对大气波导侦察的影响因素

当电磁波的频率范围在[1GHz,100GHz]内时，大气折射率N可表示成T、P、e之间的函数:

(2)

式中：T为绝对大气温度(K)；P为大气压强(hPa)；e为水气压强(hPa)；A为经验常数，取77.6(在1～100 GHz范围内有效)；B为经验常数，取4 810(在1～100 GHz范围内有效)。

由式(2)对h求导可以得到：

(3)

同时由于大气波导的上下边界是上下起伏的粗糙面，并非完全平滑的平面，在此也存在多径传播的波束与直接波叠加导致干涉损耗的产生。但由于大气波导过于复杂的结构和时间上的随机性，对这种情况下的传输损耗的精确计算比较困难，现在主要依靠实验估算。

依靠大气波导传输进行雷达超视距侦察需要满足以下基本条件：(1)近地层必须存在一定高度范围的大气波导；(2)需侦察的雷达电磁波载频必须高于最低陷获频率；(3)电磁波发射点必须处于大气波导内，当存在抬升波导时发射点也可以位于大气波导下方，但必须相距大气波导不远且波导必须达到一定强度；(4)发射源的发射仰角必须小于临界仰角。

3试验条件要求

综合各方面因素考虑，超视距雷达侦察装备的试验鉴定需以外场试验为主。由于试验区域通常很大，建议试验航区选择开放海空域，并结合超视距雷达侦察装备的航路安全、保密需求和便于展开等要求。

3.1　利用对流层散射侦察试验条件

3.1.1天气条件

在利用对流层散射条件的侦察装备试验中，由于在对流层中的电磁波损耗具有较大的区域特性和时变特征，对气象条件较为敏感，一年内的损耗值变化较大，但在夏季时损耗最小[6]。而且根据阴天、晴天多云、晴天少云等多种情况下的实测数据结果表明，在晴天的气候条件下传输损耗较小，就此试验选择晴天进行为宜。

3.1.2布站要求

由于对流层散射的入射角越小，传输损耗越小，因此测试雷达宜布设在沿海的高地或者山岛上，以确保雷达天线附近地势开阔。且试验路径前方附近障碍物的高度较小，使障碍物的仰角保持在10°以下，从而降低额外损耗。同时还要避免附近卫星通信系统或者雷达的影响，且散射体的位置尽量不要落在城市上方或者直接选择舰载雷达装备。

对应的被试雷达侦察装备，需搭载在水面舰艇或者沿海高地上，尽力保证侦察天线架高且前方无遮挡。

3.1.3航路规划

舰艇由近及远背站航行，航线为直线或者横折线，需兼顾被试装备的相关参数，建议的试验航路区域为300km至最大侦察距离。

3.1.4装备要求

对流层散射基本传输损耗值与载频三次方成正比，因此载频越高传输损耗越大，载频每提高1倍，基本传输损耗增大约9dB；而距离每增大100km，传输损耗将会增大约8dB。因此，对于配试的雷达装备，为保证试验过程中侦察装备能在多个频点上侦收到信号，配试雷达以频率同时分集或者分时分集的方式发射电磁波，功率应高于侦察机灵敏度200dB以上。

3.2　利用大气波导侦察试验条件

3.2.1天气条件

根据美国环境预报中心的统计分析数据[7]，中国近海大气波导在夏季时出现概率最高，春秋季居次，冬季最低，台湾省以北海域甚至低于10%。大气波导类型以悬空波导和贴海表面波导为主，悬空波导从秋季开始逐渐向南移动，到冬季在台湾省以北近海区域居主；而贴海表面波导从春季开始向北渐移，到夏季在整个海域所占比例较大。因此，进行试验规划时要结合试验时间，合理选择试验区域。

3.2.2布站要求

对于配试雷达的布站位置，应保证雷达天线位于大气波导区域内。对于20m高度的蒸发波导，C波段雷达天线架设海拔高度超过20m即可；而P波段雷达由于地面或海面反射的影响，其架设高度不宜过高，一般超过10m即可。布站时雷达仰角不宜过大，一般处于[0.5°,1°]区间内。对于被试雷达侦察装备有相似的架设要求。

3.2.3航路规划

南海北部和台湾省附近海域是中国近海中大气波导形成概率相对较高的区域，试验区域在这个范围内较优，舰艇由近及远背站航行，航线为直线或者横折线，需兼顾被试装备的相关参数，建议的试验航路区域为300km至最大侦察距离。

3.2.4装备要求

根据电磁波陷获的频率特性，3GHz频率以上的雷达信号受蒸发波导的影响较为明显，因此S、C、X波段雷达都能作为配试雷达，其功率一般应大于雷达侦察装备灵敏度200dB以上。

4结束语

目前，对于超视距雷达侦察装备的试验以实际使用测试为主，存在试验周期长、消耗大和受气象因素影响大等问题，且一旦出现电磁波在空间损耗而收不到信号，往往需要深入分析甚至测试才能发现问题，此类装备试验项目和具体的试验实施方法还需要进一步的研究。

参考文献

[1]王澍.基于对流层散射的舰载超视距侦察技术分析 [J].舰船电子对抗，2013，36(5):24-28.

[2]杨建华.雷达无源定位技术的发展与战术应用[J].中国电子科学研究院学报，2009，4(6):601-605.

[3]李兵舰，吴小强.现代雷达侦察技术特点及发展方向[J].舰船电子对抗,2007，30(1):19-21.

[4]李引凡.对流层散射传播机制与特性分析[J].空间电子技术，2010(1):1-4.

[5]滕哲，徐卫明,明中正,等.大气波导对岸基警戒雷达影响研究[J].现代雷达，2013，35(9):10-14

[6]宋雪梅，朱旭东.对流层散射实现雷达信号超视距传输的研究[J].现代雷达，2007，33(7)：9-12.

[7]陈莉，高山红,康士峰,等.中国近海大气波导的时空特征分析[J].电波科学学报,2009，24(4):702-708.

Test Condition Analysis of Over-the-horizon Radar Reconnaissance Equipment

LIU Li-ming，YAO Xiao，FAN Hong

(Unit 91336 of PLA,Qinhuangdao 066326,China)

Abstract:Radar reconnaissance equipments can receive the weak electromagnetic signals by means of reflection and refraction function of atmosphere to electromagnetic waves,from which the available information is analyzed,so the over-the-horizon reconnaissance is performed to the threat targets.This paper analyzes the main factors influencing the over-the-horizon reconnaissance by using troposcatter and atmospheric waveguide according to the mechanism realizing over-the-horizon reconnaissance,discusses the test conditions of over-the-horizon radar reconnaissance in outer field.

Key words:over-the-horizon;radar reconnaissance;test condition

收稿日期:2015-01-30

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.003

中图分类号：TN974

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0008-04